DE2715482A1

DE2715482A1 - Mit licht steuerbarer thyristor

Info

Publication number: DE2715482A1
Application number: DE19772715482
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Dr Voss
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-04-06
Filing date: 1977-04-06
Publication date: 1978-10-12
Also published as: JPS6022830B2; JPS53125783A; DE2715482C2; CA1113190A; FR2386906A1; GB1563689A; FR2386906B1

Description

Die vorliegende Erfindung "bezieht sich auf einen mit Licht steuerbaren Thyristor mit einem Halbleiterkörper, der katodenseitig mindestens einen zur Belichtung bestimmten Bereich aufweist, mit einer katodenseitigen Hauptemitterzone und einer zwischen dieser und dem 3ereich liegenden, dem Bereich zugeordneten Hilfsemitterzone und einer katodenseitigen Basiszone, deren Dotierung zur Anodenseite hin abnimmt, und mit Emitterelektroden, die die Basiszone kontaktieren.

Ein solcher Thyristor ist bereits beschrieben worden. Sr besteht im Prinzip aus zwei Teilen, von denen der eine durch einen lichtsteuerbaren Hilfsthyristor und der andere durch einen Hauptthyristor gebildet wird. Der lichtsteuerbare Hilfsthyristor dient als Steuerstromverstärker für den Hauptthyristor, der nach Einleiten der Zündung den Laststrom führt. Zwischen dem lichtsteuerbaren Hilfsthyristor und dem Hauptthyristor kann noch ein weiterer Hilfsthyristor liegen.

Der Fotostrom des lichtsteuerbaren Hilfsthyristors fließt bei Belichtung des zur Belichtung bestimmten Bereiches in eine den genannten Bereich kontaktierende Elektrode (Sammelelektrode) und von da aus in radialer Richtung zum Emitter des Hilfsthyristors beziehungsweise des Hauptthyristors. Übersteigt die Emitter-Basis-Spannung an einer Stelle des pn-Überganges zwischen Basis-

Hab 1 Dx / 30.03.1977

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zone und Emitter des Hilfsthyristors beziehungsweise des Hauptthyristors einen bestimmten Spannungswert, der etwa 0,5 V beträgt, so zündet der betreffende Thyristor.

In der Praxis ist es erwünscht, den Iicht3teuerbaren Hilfsthyristor über Lichtleiter anzusteuern. Diese Lichtleiter haben üblicherweise Durchmesser von 1 min oder weniger. Den Durchmesser des zur Belichtung bestimmten Bereiches wird man zur Erzielung einer guten du/dt-Festigkeit, die !unter anderem von der Leitfähigkeit der Basiszone abhängt, einerseits nur um so viel größer als den Durchmesser des Lichtleiters machen, daß er kontaktiert werden kann. 'Jm mit möglichst wenig Lichtleistung auszukommen, muß die Empfindlichkeit des lichtsteuerbaren Hilfsthyristors aber andererseits noch sein. Man kann die Lichtempfindlichkeit zum Beispiel dadurch erhöhen, daß man der Basiszone durch niedrige Dotierung einen hohen spezifischen Widerstand gibt, so daß schon bei geringen Strömen der zur Zündung ausreichende Spannungsabfall erreicht wird.

3er Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Thyristor der oben erwähnten Art so weiterzubilden, daß er auch bei hoher Dotierung der Basiszone eine hohe Lichtempfindlichkeit erhält.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsemitterzone von dem die Basiszone kontaktierenden Teil der Hilfsemitterelektrode auf einem Teil ihres Umfanges durch mindestens einen in der Basiszone liegenden Graben getrennt ist, der mindestens so tief wie die zweite Emitterzone ist, und daß derjenige Teil der Hilfsemitterzone, der den die Basiszone kontaktierenden Teil der Hilfsemitterelektrode trägt, einen oder mehrere Stege bildet, die an mindestens zwei Seiten vom Graben beziehungsweise von den Gräben begrenzt sind.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüehe.

Die Erfindung wird ?,n Hand einiger Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Fig. 1 bis S näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 die Aufsicht auf ein Halbleiterelement eines Thyristors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 einen Schnitt durch dieses Halbleiterelement entlang der Linie II-II,

Fig. 3 einen Schnitt durch dieses Halbleiterelement entlang der Linie III-III,

Fig. 4 einen Schnitt durch ein Halbleiterelement eines Thyristors nach einem weiteren Ausführungsbeispiel,

Fig. 5 die Aufsicht auf ein Halbleiterelement eines Thyristors nach einem anderen Ausführungsbeispiel,

Fig. 6 den Schnitt durch das Halbleiterelement nach Fig. 5 entlang der Linie VI-VI,

Fig. 7 die Aufsicht auf ein Halbleiterelement eines Thyristors nach einem vierten Ausführungsbeispiel und Fig. 8 den Schnitt durch das Halbleiterelement nach Fig. 7 entlang der Linie VIII-VIII.

In den Figuren sind einander gleiche oder funktionsgleiche Teile gleich bezeichnet. In den Fig. 1, 5, 7 sind die Elektroden der besseren Übersichtlichkeit halber schraffiert.

Das Halbleiterelement nach Fig. 1 weist eine Hauptemitterzone 1, eine Hilfsemitterzone 2 und eine beiden Emitterzonen gemeinsame Basiszone 3 auf, deren Dotierung mit der Tiefe abnimmt. Die Hilfsemitterzone 2 ist; dem lichtsteuerbaren Hilfsthyristor und die Hauptemitterzone 1 dem Hauptthyristor zugeordnet. Die Hauptemitterzone 1 ist mit einer Emitterelektrode 5 und die Hilfsemitterzone 2 mit einer Hilfsemitterelektrode 4 kontaktiert. Der zur Belichtung bestimmte Bereich ist mit 8 bezeichnet. Er ist von einer ringförmigen Sammelelektrode 9 umgeben, die einen kreissegmentförmigen Vorsprung 10 aufweist. Die Hilfsemitterzone 2 hat die Form eines Kreissegmentes. Der die Hilfsemitterzone 2 kontaktierende Teil der Hilfsemitterelektrode 4 ist von dem die Basiszone 3 kontaktierenden Teil der Hilfsemitterelektrode 4 durch einen kreissegmentförmigen Graben 6 auf einem Teil des Umfanges der Hilf semitterzone 2 getrennt. Zv/ischen dem zur Belichtung bestimmten Bereich 8 der Basiszone 3 und der Emitter-

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elektrode 4 liegt ein weiterer ringsegmentförmiger Graben 7, dessen Enden sich mit den Enden des Grabens 6, den Enden der Emitterzone 2 beziehungsweise den Stegen 11 überlappen. Derjenige Teil der Hilfsemitterzone 2, der den die Basiszone 3 kontaktierenden Teil der Hilfsemitterelektrode 4 trägt, bildet von den Gräben 6, 7 zweiseitig begrenzte Stege 11.

Wird der Bereich 8 belichtet, so werden in der Basiszone 3 Ladungsträgerpaare erzeugt, wobei bei der angegebenen Polarität der Emitterelektrode 5 die Defektelektronen zunächst in Richtung des Bereiches 8 zur Katodenseite abfließen, während die Elektronen zur Anodenseite abgezogen werden. Der Weg, den die Ladungsträger nehmen, ist in Fig. 2 schematisch durch einen Pfeil veranschaulicht. Es ist ersichtlich, daß der Strom durch die Gräben 6 und 7 zu einem Umweg gezwungen wird, der in die schwach dotierten inneren Schichten der Basiszone 3 führt. Die Gräben 6 und 7 sind dazu mindestens so tief wie die Emitterzone 2. Sie können beispielsweise durch Ätzen in Verbindung mit der bekannten Fotoresisttechnik hergestellt werden. Der Strom (Fotostrom) fließt unter Umgehung der Gräben 6, 7 zu den vom Bereich 8 abgekehrten Teilen der Emitterelektrode 4 ab und erzeugt unter der Emitterzone 2 einen Spannungsabfall.

Der Fotostrom des lichtsteuerbaren Hilfsthyristors fließt über den Vorsprung 10 der Sammelelektrode 9, der in der Öffnung des ringsegmentförmigen Grabens 7 angeordnet ist, radial nach außen. Durch diese Anordnung wird eine Konzentration des Fotostromes für den Hilfsthyristor erreicht, sobald er die zum Zünden des Hilfsthyristors notwendige Höhe übersteigt. Der Hilfsthyristor wird dann auf Grund der durch die Konzentration erreichten hohen Steuerstromdichte mit relativ geringer Zündverzugszeit eingeschaltet. Die Sammelelektrode 9 ist für die Funktion des Hilfsthyristors nicht unbedingt notwendig.. Es ist jedoch zweckmäßig, wenigstens eine dem Vorsprung 10 entsprechende Elektrode vorzusehen, damit der Fotostrom gleichmäßig zur Hilfsemitterzone 2 fließen kann.

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In Fig. 4 ist gezeigt, daß der zur Belichtung bestimmte Bereich 8 dünner als die übrige Basiszone 3 sein kann. Zur weiteren Erhöhung der Zündempfindlichkeit des Hilfsthyristors kann zwischen der Sammelelektrode 9 und der Emitterzone 2 ein weiterer Graben 17 vorgesehen sein.

Die Anordnung nach Fig. 5 und 6 unterscheidet sich von der Anordnung nach Fig. 1 bis 3 im wesentlichen dadurch, daß die Hauptemitterzone 1 nunmehr als weitere Hilfsemitterzone dient und auf der dem Bereich 8 abgekehrten Seite der Emitterzone 1 eine dritte Emitterzone 13 vorgesehen ist, die nun Bestandteil eines Hauptthyristors ist. Die Emitterzone 13 ist mit einer Elektrode 14 versehen. Die Hilfsemitterelektrode 4 hat einen segmentförmigen Vorsprung 15, der zwischen den Enden des Grabens 6 liegt. Durch diesen segmentartigen Vorsprung läßt sich eine Konzentration des Steuerstromes für den zweiten Hilfsthyristor (Emitterzone 1) erreichen, der damit auf die oben beschriebene Weise mit geringer Zündverzugszeit gezündet werden kann.

Die Länge der segmentförmigen Vorsprünge 10 und 15 kann variiert werden. Durch sie wird die wirksame Randlänge der Emitterzonen 1 und 2, das heißt ihrer pn-Ubergänge auf der dem Bereich 8 zugekehrten Seite eingestellt und damit das Einschaltverhalten des lichtsteuerbaren Hilfsthyristors und des zweiten Hilfsthyristors bestimmt. Macht man das Verhältnis der wirksamen Randlängen der Emitterzone 2 auf ihrer dem Bereich 8 zugewandten Seite zur wirksamen Randlänge der Emitterzone 1 auf ihrer dem Bereich 8 zugewandten Seite kleiner als 3:1, zum Beispiel wie in Fig. 5 dargestellt etwa 1 : 1, so kann man erreichen, daß der lichtsteuerbare Hilfsthyristor lediglich als Stromverstärker arbeitet, das hei3t nicht zündet. Dies hat den Vorteil, daß sich während des Einschaltens im lichtsteuerbaren Hilfsthyristor kein Laststromkanal ausbilden kann.

In den Fig. 7 und 8 ist dargestellt, daß die Hilfsemitterzone 2 auch den zur Belichtung bestimmten 3ereich 8 bedecken kann. In diesem Fall engt der Graben 7 die Hilfsemitterzone 2 zu einem Steg 16 ein, an den sich die beiden Stege 11 anschließen. Die

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erzeugten Defektelektronen nehmen hier, wie durch den Pfeil dargestellt, einen Weg senkrecht zur Hilfsemitterzone 2, unter dieser entlang und fließen unter Umgehung des Grabens 6 beziehungsweise 7 zur Emitterelektrode 4 und von da zur Emitterzone 1, die Bestandteil eines Hilfsthyristors oder eines Hauptthyristors
sein kann.

In den Ausführungsbeispielen wurden die Gräben als Kreisringsegmente dargestellt. Diese Form empfiehlt sich bei zentraler Lage

des zur Belichtung bestimmten Bereiches 8. Die Gräben können jedoch auch andere Formen haben und beispielsweise in radialer
Richtung verlaufen. Es können auch kreissegmentförmige Gräben
zusammen mit radialen Gräben verwendet werden. Die Gräben können auch so miteinander verbunden sein, daß zwischen ihnen ein oder

mehrere schmale Stege der Hilfsemitterzone 2 stehenbleiben. Die
Gräben können mit Isolierstoff oder einem hochohmigen Material
gefüllt sein.

10 Patentansprüche
8 Figuren

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Claims

Patentansprüche

\1.; Mit Licht steuerbarer Thyristor mit einem Halbleiterkörper, der katodenseitig mindestens einen zur Belichtung bestimmten Bereich aufweist, mit einer katodenseitigen Hauptemitterzone und einer zwischen dieser und dem Bereich liegenden, dem Bereich zugeordneten Hilfsemitterzone und einer katodenseitigen Basiszone, deren Dotierung zur Anodenseite hin abnimmt, und mit Emitterelektroden, die die Basiszone kontaktieren, dadurch gekennzeichnet , daß die Hilfsemitterzone (2) von dem die Basiszone (3) kontaktierenden Teil der Hilfsemitterelektrode (4) auf einem Teil ihres Umfanges durch mindestens einen in der Basiszone (3) liegenden Graben (6) getrennt ist, der mindestens so tief wie die zweite Emitterzone ist, und daß derjenige Teil der Hilfsemitterzone (2), der den die Basiszone (3) kontaktierenden Teil der Hilfsemitterelektrode (4) trägt, einen oder mehrere Stege (11, 16) bildet, die an mindestens zwei Seiten vom Graben (6) beziehungsweise den Gräben (6, 7) begrenzt sind.
2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsemitterzone (2) und der Graben (6) als Ringsegment ausgebildet sind und daß zwischen dem zur Belichtung bestimmten Bereich (8) und der Basiszone (3) ein zweiter als Ringsegment ausgebildeter Graben (7) so angeordnet ist, daß sich die Enden des zweiten Grabens (7) einerseits und des Grabens (6) und der Hilfsemitterzone (2) andererseits überlappen, und daß die Hilfsemitterzone (2) an beiden Enden je einen Steg (11) bildet.
3. Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich (8) von einer ringförmigen Sammelelektrode (9) umgeben ist, die die Basiszone (3) kontaktiert.
4. Thyristor nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelelektrode (9) einen segmentförmigen Vorsprung (10) aufweist, der zwischen den Enden des zweiten Grabens (7) liegt.

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5. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem Bereich (8) abgewandten Seite der Hauptemitterzone (1) eine dritte Emitterzone (13) angeordnet ist.
6. Thyristor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsemitterelektrode (4) ringförmig ausgebildet und mit einem segmentförmigen Vorsprung (15) versehen ist, der zwischen den Enden des Grabens (6) liegt.
7. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszone (3) im Gebiet des zur Belichtung bestimmten Bereiches (8) dünner als die restliche Fläche der Basiszone ist.
8. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsemitterzone (2) auch den zur Belichtung bestimmten Bereich (8) bedeck

t.
9. Thyristor nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksamen Längen der pn-Übergänge der Hauptemitterzone (1) und Hilfsemitterzone (2) auf ihrer dem Bereich (8) zugewandten Seite ein Verhältnis von größer 1 : 3 haben.
10. Thyristor nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekenn zeichnet, daß beide Gräben (6, 7) miteinander verbunden sind.

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